外压波纹管的稳定性分析.pdf

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1、石油和化工设备-28-论文广场2016年第19卷外压波纹管的稳定性分析李志平，段成红（北京化工大学机电工程学院，北京100029）[摘要]本文采用有限元法对承受外压的波纹管进行线性屈曲分析和非线性屈曲分析，以研究波纹管拉伸位移、结构参数及初始缺陷对波纹管屈曲的影响，并在此基础上进行波纹管线性屈曲分析和非线性屈曲分析的对比。结果表明:波纹管线性屈曲载荷随拉伸位移先增大后减小，随波形参数增大而减小；波纹管非线性屈曲载荷几乎不受缺陷因子的影响，且小于线性屈曲载荷。其结果对工程实践具有一定参考价值。[关键词]外压波纹管；

2、线性屈曲；非线性屈曲作为补偿管线、容器热变形的柔性元件，波1.1波纹管结构及几何参数纹管已经越来越广泛运用于各种工程实际。对于本文研究的外压U形波纹管具体结构如图1所[1-波纹管而言，稳定性是其重要的力学性能之一示，符号见表1。结构参数取自某工程实际膨胀节3]，在波纹管设计时必须加以考虑。关于波纹管稳波纹部分，如表1所示。定性的研究，前人做了大量研究工作，但大多集[4-7]中在波纹管内压稳定性方面，外压稳定性研究涉及较少，而且内外压失稳模式不同，波纹管承受内压时存在平面失稳和柱失稳，而外压失稳则[8,9]是平面失

3、稳和周向失稳。为了全面、深入了解外压波纹管的稳定性，本文运用有限元数值分析方法对外压U形波纹管进行稳定性研究，其结果对工程实践具有一定的参考价值。图1波纹管结构简图1波纹管结构参数和材料参数表1单层波纹管结构尺寸波纹管内径Db/mm波高w/mm波距q/mm单层名义厚度t/mm层数n/层波数/个直边段Lt/mm8045264314201.2波纹管材料参数对于线性屈曲而言，忽略任何的非线性因素，只需给定弹性模量和泊松比即可。弹性模量5E=1.72×10MPa，泊松比μ=0.3。由于非线性屈曲分析需要考虑材料非线性，故

4、本文采用包含鲍辛格效应、遵守Mises屈服准则的双线性随动强化（BKIN）材料本构模型，材料曲线见图2所示。2有限元模型作者简介：李志平（1989—），男，江西人，硕士。研究方向为压力容器设计开发与数值模拟。图2波纹管双线性材料曲线第7期李志平等外压波纹管的稳定性分析-29-由于波纹管厚度方向尺寸远小于其他方向尺寸，具备壳体特征，并且屈曲变形是非对称的，因此本文采用支持塑性分析的壳单元Shell181建立单层四波波纹管全模型。由于波纹管两端直边段存在加强措施，为避免波纹管直边段对波纹段稳定性的影响，本章计算不考虑

5、直边段。模型厚度为实际成形厚度tp，计算公式如下。式中，tp为单层波纹管实际成形厚度，t、Db见表1；Dm为波纹管波纹的平均直径，Dm=Db+w+nt，w、n和t见表1。图4波纹管屈曲载荷随拉伸位移变化曲线波纹管有限元模型采用规则四边形进行网格位移引起的弯曲应力超过外压引起的应力抵消作划分，网格尺寸4mm×4mm，如图3所示。用时，屈曲载荷将随着拉伸位移的增大而减小。3.2波形参数对波纹管屈曲载荷的影响波形参数波高w和波距q是波纹管的关键尺寸，波高对波纹管经向弯曲应力及刚度有非常大的影响。波高w和波距q存在内在联

6、系，根据经验，薄壁波纹管波高w与波距q比值w/q为0.8~1.2。本文研究w/q为0.8~1.2之间不同波高和波距对波纹管屈曲载荷的影响，当波高w取固定值52mm时，波距q分别选用44mm、48mm、52mm、56mm、60mm和64mm进行屈曲分析；当波距q取固定值64mm时，波高w分别选用52mm、56mm、60mm、64mm、68mm、72mm和76mm进行屈曲分析。计算时波纹管两端分别施加固定约束。图3波纹管有限元模型3外压波纹管线性屈曲分析3.1位移对波纹管屈曲载荷的影响为研究拉伸位移对外压波纹管屈曲载

7、荷的影响，本节计算波纹管一端固定，一端施加拉伸位移时的屈曲载荷。计算过程中发现，当拉伸位移不超过15mm时，波纹管屈曲载荷随着波纹管拉伸位移增大而增大，当超过15mm时，波纹管屈曲载荷开始减小。为展现变化趋势，拉伸位移在18mm前，每3mm间隔取值进行计算，超过18mm后分别取24mm、36mm、48mm和60mm进行计算。由图4可知，随着拉伸位移的增大，波纹管屈曲载荷先增大，然后减小，这是因为波纹管拉伸位移引起的弯曲应力与外压引起的弯曲应力相互图5波纹管屈曲载荷随波高/波距变化曲线抵消而导致的，当拉伸位移增大到

8、一定程度时，石油和化工设备-30-论文广场2016年第19卷由图5可知，随着波高或波距的增大，外压波曲载荷的影响，得到初始缺陷对波纹管稳定性影纹管屈曲载荷降低，不过屈曲载荷随波距变化幅响并不大的结论。本节在此基础上选取缺陷因子度没有随波高变化幅度大。这表明波纹管屈曲载为0.1进行波纹管非线性屈曲分析，并与波纹管线荷与波形参数—波高和波距成反比，且波高相对性屈曲分析相对比。